模糊PID控制和PID调试器相结合对温度控制性能的研究

模糊 PID控制和 PID调试器相结合对温度控制性能的研究

李洪杨， 王文龙

北方民族大学测控技术与仪器专业 ，宁夏银川 ， 750000

摘 要：本研究以stm32为处理核心，集成了微处理器、存储器、总线、定时器、计数器、输入与输出接口、中断系统以及多功能器件，进行电路设计，完善功能设计。

关键词：STM32；模糊PID；PID调试器；稳态性能；稳态响应

一、前言

在工业的发展过程中，温度是其中一个需要控制的一个重要参数。然而一般的温度控制系统的由于受到控温对象的影响而存在一些不确定因素，比如这些需要控温的仪器设备的时滞性、非线性等特征，在这种情况下，我们想要建立准确的数学模型是具有一定难度的，这也导致了所开发的温控系统的精确度难以达到要求^[1]。在当前的工业控制系统研究中，PID控制方式因为其具有较好的可靠性、鲁棒性、以及操作简单而被普遍应用，然而对这三个参数的控制也需要跟着被控对象的特性发改变而相应调整，不然就没办法保证准确的控制精度。在过去的十几年里，模糊控制技术获得了快速发展，它融入了人的经验，所需要进行温控的仪器设备对数学模型的精度要求不是特别高，更懂地是依靠行为数据库进行准确控制，并且可以快速响应、有较好的鲁棒性和抗干扰能力，且设计简单，在当前的智能控制领域发挥了重要作用^[2]。

二、研究的目的和方法

如今大多数PID控制温度的算法多依赖于理想化，简单化的模型来进行控制，这样的做法存在很大的不稳定性。而将模糊控制和PID控制结合使用，基本上可以模拟有经验的操作人员的控制过程，不依赖对象的模型就可以进行控制决策。本项目就是基于这一点对模糊算法和PID控制相结合的研究，用实践检验理论。

本设计在单片机基础知识，熟用keil4、Altium Designer、Multisim、IAR等软件的基础上，以stm32为处理核心，集成了微处理器、存储器、总线、定时器、计数器、输入与输出接口、中断系统以及多功能器件，进行电路设计，完善功能设计。通过实物制作，将算法和硬件相结合起来，实践检验理论。我们选择烤箱模型为载体，采用市场价格相较便宜的smt32单片机为处理核心，连接温度感应器，温度控制器，已及PID控制器等一系列电子元件构造一台可以用于实验测试的实验用具。温度调控方面，stm32作为核心数据处理器，对温度传感器发送过来的数据进行处理分析，对比，发送反馈数据去控制电压控制器，以一种惯性思考的行为控制温度增长。声光报警模块，为了避免实验途中发生意外，这将是必不可少的一处，用于警示和切断实验。

三、模糊PID调节器概述

近些年来，随着人工智能的快速发展，智能控制理论及实践应用技术也取得了长足的进步，研究人员把一般的PID控制技术融合进了智能控制技术进而应用到自动控制方面，开发出了各式各样的智能PID调节器，例如模糊PID调节器、智能自校正预测PID以及在利用人工神经网络基础上开发的参数自整定PID调节器等^[3]。模糊控制规则的制定充分结合了专家的经验和专业的知识，这些规则可以对被控对象的不确定性因素与模糊关系进行描述，整合被控对象的输出误差以及这些误差的变动情况再推理之间的模糊关系进而确定控制量，就可以实现对被控系统的控制。在实践过程中，因为被控系统的数学模型难以精确地建立，而模糊控制则不受这方面的制约，因为它不用建立这种精确数学模型，并且有着快速响应、较好的鲁棒性等特点，所以模糊PID调节器在工业生产过程中获得了亲睐^[4]。

四、STM32的系统电路设计

STM32是本温度控制系统的核心控制器，它发挥了非常重要的作用。STM32的系统的良好设计，可以有效地保证控制系统的稳定性，而且可以有效地避免外界对其造成的干扰。STM32的系统电路设计包括了时钟电路、复位电路、电源电路、滤波电路。

（1）时钟电路

STM32时钟包括低速和高速两种时钟，后者主要用于驱动系统时钟。时钟频率在4兆赫到16兆赫之间。高速时钟源通过外部晶振以及内部的RC电路两种途径产生，外部时钟电路与CL1、CL2两个滤波电容相连，通过OSC_IN 引入。

图1.外部时钟电路

（2）复位电路

复位电路可以让基于STM32的控制系统回复到原来的状态，STM32包括了上电复位、系统复位、备份区域复位等三种复位方法，其中第一种是应用最多的。上电复位可以让STM32系统内除备份区域外的其他的寄存器都恢复初始状态，系统再重启程序。

（3）电源电路

STM32的内核是1.8V的工作电压，外部是3.3V的工作电压是，并且通过STM32内的电压调节模块能够把3.3V的外部电压转换为1.8V的内部工作电压。

（4）滤波电路

通过在电源和地之间接滤波电容进行硬件滤波，对于中高频干扰的滤除主要是用瓷片电容，对于低频干扰的滤除主要是用电解电容。为了有效地滤除这些干扰，一般在有电源输入输出的地方都连接滤波电容

^[5]。

图2.STM32滤波电容连接方式

四、结语

本设计通过模糊控制和PID调试相结合，达到有效控制温度增长。基本上可以模拟有经验的操作人员的控制过程，不依赖对象的模型就可以进行控制决策。

参考文献:

1. 刘晓川.PID与模糊控制相结合的智能温度控制系统[J].电子质量，2012(2):19-21.

2. 叶定春.PID调节器及其智能化控制技术的探讨[J].煤气与热力，2004，24(5):256-259.

3. 李洪兴.模糊控制器与PID调节器的关系[J].中国科学，2009，29(2):136-145.

4. 俞红卫.一种PID控制与模糊控制相结合的智能温度控制系统[J].上 海 应 用 技 术 学 院 学 报，2007，7(2):106-109.

5. 钱庆文.基于STM32的类人机器人控制系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学 ，2014.

项目来源：北方民族大学区级创新训练计划项目

项目名称：模糊PID控制和PID调试器相结合对温度控制性能的研究

项目编号：S2020-11407-062

作者简介：李洪杨，男，土家族，湖南人，本科在读，研究方向：测控技术与仪器。

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